LED領(lǐng)域最新技術(shù)盤點

　　只有想不到的，沒有做不到的，LED領(lǐng)域最近都有哪些新技術(shù)值得關(guān)注?

　　GaN Micro LED年復(fù)合增長率將達43.5%

　　氮化鎵(GaN)化合物半導(dǎo)體曾經(jīng)被推廣到LED芯片當(dāng)作襯底，盡管LED已屬成熟市場，但這些技術(shù)在功率電子和LED照明仍具備很大增長空間。

　　當(dāng)前LED燈的驅(qū)動電路是由用各種分立元件組裝而成，如功率晶體管、電容器和邏輯控制IC等，在印刷電路板(PCB)上組裝連接在一起，由于通常的PCB板體積較大，它會像LED燈一樣需要占據(jù)相當(dāng)?shù)目臻g;但未來，固態(tài)照明完美的解決方案是在單個芯片上將LED器件、功率晶體管和控制器IC進行單片集成。由于固態(tài)照明燈中的LED器件是基于GaN材料，所以其他全部器件也都必須采用寬禁帶的半導(dǎo)體材料來進行制造。

　　采用這種方法將可以消除驅(qū)動電路板和LED芯片之間互連的寄生的電感、電容和電阻，從而使整個照明系統(tǒng)可以在更高的開關(guān)速度下運行，這樣可以提高整個照明系統(tǒng)的效率，并且可以縮小無源元件的尺寸，而小尺寸的電感器和電容器就能夠工作在更高的頻率下，形成一個尺寸更為精巧、性能更好的驅(qū)動器電路。

　　這歸功于GaN器件技術(shù)方面的突破。

　　采用GaN這種材料體系來制作LED驅(qū)動IC的技術(shù)也已經(jīng)成熟。LED驅(qū)動IC可以用GaN材料進行制造，并表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能：與傳統(tǒng)的Si晶體管相比，它們具有更高的擊穿電壓，更低的導(dǎo)通電阻和更高的工作頻率。

　　Power Integrations資深技術(shù)經(jīng)理閻金光解釋道，為什么GaN技術(shù)可以在把尺寸做小同時，又能兼顧效率?相比于傳統(tǒng)硅更有優(yōu)勢的是，GaN材料得以增大了輸出功率范圍和擊穿電壓范圍。

　　他舉例，例如使用GaN技術(shù)安全隔離型LED驅(qū)動器，使用PowiGaN技術(shù)的大功率密度器件，可通過反激拓撲實現(xiàn)110 W輸出功率和94%轉(zhuǎn)換效率的設(shè)計，這也就是，為何PI近期宣布推出LYTSwitch-6系列安全隔離型LED驅(qū)動器IC最新成員LYT6079C、LYT6070C，他們和最新功率器件一樣采用GaN技術(shù)同樣能夠增加效率和功率。此外，和傳統(tǒng)LED驅(qū)動器方案相比，采用GaN技術(shù)后大幅簡化了電路。

　　新的LYTSwitch-6 IC無需使用散熱片，減小了鎮(zhèn)流器的尺寸和重量，并降低對驅(qū)動器周邊風(fēng)冷環(huán)境的要求，和采用PowiGaN初級開關(guān)的InnoSwitch3器件一樣，可通過低RDS(ON)降低開關(guān)損耗?！跋噍^于常規(guī)方案，這一改進結(jié)合LYTSwitch-6現(xiàn)有的諸多特性，可使功率轉(zhuǎn)換效率提高3%，進而減少三分之一以上的熱能浪費，還可提供無損耗電流檢測來提高效率?！遍惤鸸饨榻B到，“保留快速動態(tài)響應(yīng)可為并聯(lián)LED燈串提供交叉調(diào)整率，并且無需額外的二次穩(wěn)壓電路，同時還支持無閃爍系統(tǒng)工作。更加易于實現(xiàn)使用脈寬調(diào)制(PWM)接口的調(diào)光應(yīng)用?！?/p>

　　現(xiàn)代設(shè)備對視覺效果的要求越來越高，近眼顯示設(shè)備的亮度要求在增加，電池供電的消費電子設(shè)備對高分辨率和高亮度的需求也在增加，正在進一步推動GaN Micro LED增長。

　　根據(jù)Future Market Insights一份新報告預(yù)測，2019年全球GaN Micro LED的銷售額將同比增長33%，達到197,000美元，高于2018年的150,000美元。報告顯示，在2019年-2029年間，GaN Micro LED將以高達43.5%的驚人年復(fù)合增長率增長。

　　研究表明，2018年，中等功率的GaN Micro LED在所有GaN Micro LED中占據(jù)了75%的市場份額，并將成為未來幾年照明應(yīng)用的主流。另一方面，為了在整個照明器件保持全亮度而且并不明顯損失顯示亮度，低功率的GaN Micro LED需求可能會進一步釋放。

　　若從地區(qū)分布來看，2018年，北美貢獻了GaN Micro LED 26%的市場份額，并將繼續(xù)處于該市場的最前沿，歐洲地區(qū)緊隨美國之后，亞太市場也處于萌芽階段。

　　交流供電的LED，可降低照明成本

　　賓夕法尼亞州立大學(xué)的工程師已經(jīng)研發(fā)了一種實用的方法，可以使用行業(yè)標準的制造工藝將氮化鎵LED及其電源電路集成到同一芯片上。其結(jié)果是一個照明芯片直接從壁掛式插座提供的交流電源供電，不需要在單獨的硅芯片和其他組件上進行將電轉(zhuǎn)換為低壓直流電的中間步驟。

　　賓夕法尼亞州立大學(xué)的工程師們將詳細的工作流程發(fā)表在了IEEE Transaction上。

　　據(jù)賓夕法尼亞州立大學(xué)工程系教授Jian Xu介紹，將LED驅(qū)動系統(tǒng)集成到氮化鎵芯片上可以降低LED照明的制造成本和維持照明的成本。他說，高達60%的LED燈泡成本來自駕駛電子設(shè)備。而且，由于這些硅驅(qū)動電子器件通常不如氮化鎵那么堅固，它們往往在發(fā)光二極管本身失效之前就失效了。

　　LED燈中現(xiàn)有的驅(qū)動電路有三個主要功能：將交流電轉(zhuǎn)換為直流電(整流)，消除由此產(chǎn)生的直流電中的波紋，并將電壓降低到更適合LED的水平。

　　Xu的團隊構(gòu)建的片上驅(qū)動系統(tǒng)只執(zhí)行第一功能(整流)，而不需要第三功能(降低電壓)。

　　驅(qū)動器由四個肖特基勢壘二極管(SBD)組成，它們被布置成一個橋式整流電路。SBD是由金屬和半導(dǎo)體之間的結(jié)形成的二極管。它們在電力電子設(shè)備中很常見，因為它們的正向電壓降很低。氮化鎵是制造它們的一種特別好的材料，因為它具有很高的擊穿電壓，阻止電流反向流動。

　　為了給LED提供合適的電壓，這些設(shè)備被構(gòu)建成一個陣列，并以每臺整流器22到40像素的像素串級。這樣，總的電壓降是110-120伏從墻上插座，但每個LED像素只能看到幾伏。

　　一個使用集成芯片原型的白色LED燈產(chǎn)生了相當(dāng)可觀的89流明每瓦。然而，由于SBD電橋輸出的是一個經(jīng)過整流的交流輸入，而不是一個大致恒定的電壓，因此LED具有120赫茲的閃爍，這將使其更適合室外照明應(yīng)用，如停車場和道路的燈具，在這些應(yīng)用中，低維護成本是至關(guān)重要的。但是光的質(zhì)量不那么重要。

　　集成一個LED燈的驅(qū)動電路似乎是一個顯而易見的想法，但直到最近它還是遙不可及?！暗壥且环N全新的材料體系，”Xu說。“這項技術(shù)最近才變得成熟，這就是為什么單芯片集成是一個非常新的想法。”之前的嘗試要求使用專門的LED結(jié)構(gòu)或制造工藝，這些結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜，無法擴大規(guī)?；?qū)ED效率造成太大損害。

　　解決最后一個問題是Xu的實驗室取得成就的關(guān)鍵。在硅片制造中，可以用“濕”化學(xué)方法(如氫氟酸處理)將材料蝕刻成器件。但是氮化鎵太難工作，徐解釋說。因此，取而代之的是“干蝕刻”——感應(yīng)耦合等離子體蝕刻。不幸的是，這一過程可能會在表面留下效率下降的缺陷。

　　盡管濕蝕刻不足以去除大部分半導(dǎo)體表面，但在一定時間內(nèi)，它可以幫助去除干蝕刻留下的缺陷層。他的團隊最終發(fā)現(xiàn)了一系列干法蝕刻和濕法蝕刻，它們產(chǎn)生了低缺陷、高質(zhì)量的設(shè)備。Xu說，更好的是，這種“循環(huán)蝕刻”方法可以用來提高顯示器用微型LED的效率。(來源：IEEE電氣電子工程師學(xué)會)

　　LED新型高效紅色熒光粉誕生

　　人眼對綠色特別敏感，對藍色和紅色不敏感。因斯布魯克大學(xué)Hubert Huppertz領(lǐng)導(dǎo)的化學(xué)家開發(fā)出一種新的紅色熒光粉，其光線能被人們所感知。這使高顯色白色LED的光效增加了大約六分之一，顯著提高照明系統(tǒng)的能量效率。

　　這種紅色熒光粉化學(xué)式為Sr [Li2Al2O2N2]：Eu2 +，由研究人員命名為SALON，滿足熒光粉光學(xué)性能的所有要求。這種熒光粉可追溯到拜羅伊特大學(xué)的休伯特·胡珀茨(Hubert Huppertz)所進行的研究，作為博士論文的一部分，他開發(fā)了摻雜螢光的氮化物。然后由慕尼黑的工作組進一步優(yōu)化，現(xiàn)在已被廣泛使用。SALON熒光粉雖然在可見光范圍內(nèi)發(fā)出紅光，但很大一部分能量會進入紅外范圍，人眼無法察覺。

　　掃描電鏡與XRD分析

　　“最初的實驗，我們只能在非常不均勻的樣品中得到少量非常小的可用顆粒，因此難以優(yōu)化合成，”博士生Gregor Hoerder說。目前研究人員已經(jīng)能夠分離出單晶，從而確定新材料的結(jié)構(gòu)時，取得了重大突破。休伯特·胡珀茨說：“這種物質(zhì)的合成方式使得它的發(fā)射峰向左移動，減少了紅外的發(fā)射，能量損失更少?！?/p>

　　能譜分析

　　歐司朗光電半導(dǎo)體是一家強大的工業(yè)合作伙伴，位于哈勒的弗勞恩霍夫材料與系統(tǒng)微結(jié)構(gòu)研究所和慕尼黑路德維希馬克西米利安大學(xué)的Dirk Johrendt研究小組也參與了新材料的進一步表征。該開發(fā)已經(jīng)注冊了專利。(信息來源：nature官網(wǎng))

　　采用UV LED消毒啤酒瓶蓋

　　夏季是啤酒高消耗的時節(jié)，為了確保高質(zhì)量啤酒的清潔水，釀造公司在其釀造設(shè)備的上游安裝紫外線(UV)系統(tǒng)，目的是保持飲用水不含細菌。使用紫外線是因為它非常有效地殺死細菌，病毒和細菌--遺傳物質(zhì)(DNA)被紫外線破壞。波長為265納米的紫外光特別適合這項任務(wù)。到目前為止，這種紫外線燈是使用汞蒸汽燈，汞燈發(fā)出254納米的光。然而汞是一種破壞環(huán)境的重金屬。弗勞恩霍夫光電子研究所先進系統(tǒng)技術(shù)(AST)分部的研究人員，希望用紫外發(fā)光二極管(UV LED)取代傳統(tǒng)的含汞燈。

　　“傳統(tǒng)的汞蒸汽燈發(fā)出254納米的光。由于這低于265納米的最佳波長，消毒性能并不理想，“Fraunhofer IOSB-AST的科學(xué)家Thomas Westerhoff說。這種傳統(tǒng)消毒燈還存在其他缺點：它們的預(yù)熱階段長，使用壽命短以及龐大的設(shè)計結(jié)構(gòu)?！俺鲇谶@些原因，我們更喜歡UV-LED，它們的最大波長為265納米。特別感興趣的是UV-C LED，因為它們的輻射更有效地破壞了病原體的DNA。紫外線在DNA的核酸中產(chǎn)生共振并破壞分子的鍵合。

　　UV-LED不需要任何預(yù)熱階段直接可以達到全功率。此外，它們具有高機械穩(wěn)定性，無毒，可在低電壓下運行。另一個優(yōu)點是LED是聚光燈，憑借其特殊的輻射模式，設(shè)計師可以有多種創(chuàng)新。

　　經(jīng)過多次實際測試，研究人員現(xiàn)在能夠直接在水中操作UV-LED，而無需用管子來密封保護。這種創(chuàng)新設(shè)計消除了反射，進一步提高了輻射源的性能。工業(yè)合作伙伴PURION GmbH，F(xiàn)raunhofer IOSB-AST的專家開發(fā)了一種特殊模塊，可以在瓶子裝滿啤酒之前在生產(chǎn)過程中對啤酒瓶蓋內(nèi)部進行消毒。這確保了在生產(chǎn)過程中沒有細菌進入瓶子?！拔覀兡軌蛞?瓦的紫外線功率照射帽子的內(nèi)表面。在如此小的表面上用汞蒸汽燈這樣做幾乎是不可能的，“工程師說。

　　這項新技術(shù)用途廣泛，由于其體積小，輻射強度高，UV-C LED也可用于醫(yī)療設(shè)備，以便有針對性地對液體，難以觸及的區(qū)域進行消毒。例如，盡管有復(fù)雜的照射幾何形狀，但使用特殊配置的LED裝置可以有效地消毒內(nèi)窺鏡和超聲波探頭。

　　該技術(shù)項目得到了德國聯(lián)邦教育與研究部(BMBF)的支持，作為其2020年“生命先進紫外線”倡議的一部分。(信息來源：弗勞恩霍夫官網(wǎng))